JP3844868B2

JP3844868B2 - Laser / discharge combined machining method and apparatus

Info

Publication number: JP3844868B2
Application number: JP00429198A
Authority: JP
Inventors: 延忠青木; 徳康小林; 雄二佐野; 洋介馬場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2018-01-12
Also published as: JPH11197947A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高いエネルギ収束性を持つレーザと、高いエネルギ変換効率を持つ放電とを組合せて加工を行うレーザ・放電複合加工方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロメータオーダの精度を要求するマイクロマシン部品の製造や半導体の製造に伴う加工技術（穴あけ、切断、溶接）、さらに通常の機械加工では困難なガラス、セラミックス、シリコン、超合金などの難加工材を対象とした加工技術が開発されている。
【０００３】
このようなマイクロ加工または難加工材を対象とした加工技術として、加工対象の母材に向けて電極から放電を起こし、そのエネルギを利用して加工する放電加工、または、高出力のレーザを母材表面に収束させて加工するレーザ加工が主に利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
放電加工を用いたマイクロ加工の例を図１１を用いて説明する。
【０００５】
この図１１の例では、加工槽１内に陰極としてのターゲット２が設置され、このターゲット２に対向して陽極としての加工電極３が可動式に設けられている。ターゲット２と加工電極３との間にはＤＣ加工電源４が抵抗５およびコンデンサを介して接続され、正電圧の印加により放電加工を行うようになっている。
【０００６】
なお、加工電極３は昇降装置７および回転装置８によって駆動されるとともに、それらの駆動および前記ＤＣ加工電源４は制御装置９によって制御されるようになっている
ところが、このような技術ではターゲット２の加工サイズおよび精度が電極３のサイズによって決まってしまうため、これにあわせた非常に小さな先端サイズを持つ電極３０を適用する必要が生じる。
【０００７】
また、このような細い電極は損耗しやすく、ターゲット２と電極３との間の距離が加工の進展に伴って変化（拡大）するのを補正するため、これらの離間距離を極めて高精度で制御する機構が必要となっていた。
【０００８】
さらに、電極３の損耗具合によっては放電の状態が不安定となり、加工結果に大きな影響を与える因子となっている。
【０００９】
このような放電加工を用いたマイクロ加工、およびこの放電加工を用いたインクジェットプリンタヘッドの穴あけ加工等については、例えば（１）「マイクロ放電加工」解説論文（ＢＭＥ Vol.９， No.８，ｐ２８〜３２，１９９５）、あるいは（２）「情報処理機器部品におけるマイクロ加工」解説論文（ジョイティック Vol.５， No.６，ｐ４２〜４７，１９８９）等で開示されている。
【００１０】
一方、レーザ加工については、前記公知文献（２）の中で、比較例として紹介されている。
【００１１】
このレーザ加工は、放電加工の電極間距離のような極めて高精度の制御を必要とする因子は無く、また電極のような損耗しやすい部品も構成要素には含まれていない。
【００１２】
しかし、光を加工手段とするため、加工点付近で発生する母材の粒子、またはその間に存在する空気または溶液の疎密によって拡散、屈折などの影響を受け、これによって加工状態が大きく左右されるという課題がある。
【００１３】
また、レーザ装置は、その駆動用の電気エネルギからレーザ（光）へのエネルギ変換効率が低く、ＹＡＧレーザのような一般的な加工用固体レーザ装置では、その変換効率は１％以下であるため、加工効率は非常に悪いこともその使用を制限する要因の一つとなっていた。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされもたので、高い精度と、なめらかな仕上げ面をもった加工を、高い効率で容易に行えるをレーザ・放電複合加工方法および装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、放電加工の短所である制御の難易性と構成部品の短寿命、それに対してレーザ加工の短所である加工雰囲気によるレーザ光の乱れと、電気から光への変換効率の低さ、これら互いの短所を補うために、放電とレーザとの２つの手段を組み合わせた複合加工を取り入れたものである。
【００１６】
即ち、加工対象となるターゲットの表面にレーザを収束して入射した局所ポイントにレーザプラズマを発生させたとき、この母材に対してある一定以上の正の電圧を印加した電極をある一定距離だけ離して設置した体系では、陰極表面で発生したレーザプラズマから放出される電子がトリガとなって、陽極と陰極（ターゲット）との間に放電が発生する。この放電は陰極（ターゲット）のレーザが収束されて入射した極めて小さなスポットから発生するため、放電のエネルギをこのスポット領域に集中することが可能となる。そして、その結果、エネルギは小さいが収束性の高いレーザの入射をトリガとして、高い放電エネルギを対象材料表面のねらったポイントに誘導および収束させることができ、これにより加工を行うことが可能となる。
【００１７】
即ち、本発明では、陰極側に加工対象となるターゲットを置き、このターゲットから一定距離離間させた陽極に、前記ターゲットの加工ポイントにレーザを入射しない状態では放電が開始しない範囲で高い正の電圧をパルス状にして印加し、この状態で前記ターゲットの表面にパルスレーザを入射することによって原子を放出させると同時にレーザプラズマを生じさせ、このレーザプラズマ中に存在する電子をトリガとして前記陽，陰極間で放電を起させ、その放電エネルギを前記ターゲットの表面のレーザプラズマに集束させて加工ポイントに誘導し、そのエネルギによって前記ターゲットを加工するレーザ・放電複合加工方法であって、放電が生ずる領域に大気圧またはそれ以上の圧力のガス圧をかけ、正電圧を印加するために、低インピーダンスの同軸ケーブルをパルス伝送ラインとして用い、これにより電源側と加工ヘッド側とを隔離させることを特徴とするレーザ・放電複合加工方法を提供する。
【００２７】
また、本発明では、先端にレーザビーム通過孔をあけ、先端部を球面形状とし、かつレーザ通過孔のエッジ部にＲ加工を施した陽極と、この陽極に対向させて加工対象となるターゲットを設置する陰極と、これら陽、陰極間に設けられたコンデンサおよびインダクタンスと、前記コンデンサを充電するＤＣ高電圧電源と、前記コンデンサをパルス的に充電するパルス回路と、前記陽極のレーザビーム通過孔を介して前記ターゲットの表面にパルスレーザを入射するレーザ装置と、前記ターゲットと陽極との間にバッファガスを供給するガス供給系とを備え、かつ前記コンデンサへのパルス充電を行う手段として、低インピーダンスの同軸ケーブルを用いたパルス伝送ラインと、このパルス伝送ラインに直列に接続され、前記同軸ケーブルインピーダンス整合した抵抗とを備えたことを特徴とするレーザ・放電複合加工装置を提供する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ・放電複合加工方法および装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
第１実施形態（図１〜図６）
図１は、本発明の基本的な実施形態としてのレーザ放電複合加工の装置の構成を示したものである。
【００３６】
本実施形態では、先端にレーザビーム通過孔１０をあけた陽極（以下、陽電極）１１と加工対象となるターゲット１２に対向して配置してある。これら陽電極１１を、ターゲット１２との間に、コンデンサ１３および抵抗１４を介して、高圧ＤＣ電源１５から正電圧を印加するようになっている。
【００３７】
ターゲット１２と陽電極１１とは、絶縁フランジ２４で閉塞された密閉状の容器１６の中に設置されている。そして、陽電極１１の内部にはガス供給系７からＮｅまたはＡｒなどの希ガスが放電バッファガスとして導入され、このバッファガスは陽電極１１の先端のレーザビーム通過孔１０を介してターゲット１２の表面に吹き付けられる構造となっている。
【００３８】
レーザビームの放出源となるレーザ装置１８には、ＹＡＧレーザなどの固体レーザまたは気体レーザの中で特に高ピーク出力のパルス光を取り出せるパルスレーザが適用されている。
【００３９】
そして、レーザ駆動用電源１９からの電力により発振したレーザビーム２３は、反射ミラー２０により、照射方向を設定し、収束用のレンズ２１およびこのレンズ保護用ウィンドウ２２を通して、ターゲット１２の表面に収束するようになっている。
【００４０】
このような構成の下で、ある一定以上のパルスエネルギを持つパルスレーザビーム２３がターゲット表面に照射されたとき、ターゲット原子がアブレーシヨンによって放出され、同時に、ブラズマ化する現象、即ち、レーザプラズマの発生が起こる。
【００４１】
このレーザプラズマ中に存在する高密度の電子が放電のトリガとなって、コンデンサ１３に蓄電された電荷により陽電極１１とターゲット１２の間で放電が起こる。このとき、放電エネルギはターゲット１２の表面のレーザプラズマに収束し、集中的に注入されるので、レーザプラズマ発生ポイント部分のターゲット表面を、選択的に加工することが可能となる。
【００４２】
次に、図２により具体的な構成例について説明する。
【００４３】
前述した図１のレーザ・放電複合加工装置では、陽電極１１とターゲット１２の間に、レーザビームが入射されるまで定常的に電圧が印加する構成としたが、図２ではレーザ駆動用電源１９とパルス回路２５との駆動トリガ信号をタイミング調整器２６により任意に調整可能としている。これによって、電圧の印加時間幅をパルス回路２５によってつくられる電圧パルスの幅程度に設定することを可能としている。
【００４４】
このような構成によれば、電圧の印加時間幅を１μｓｅｃ以下とすることにより自己放電が開始する限界の電圧値を、１．５倍から２倍程度に増加することができる。そして、それにより同一容量のコンデンサを用いても、１パルス当たりに放出できる放電エネルギを大きくし、加工速度を増加することが可能となる。
【００４５】
図３は、放電誘導効果に対する入射レーザ強度の依存性を示すグラフであり、たて軸に放電電流を表し、よこ軸に入射レーザ強度（パルスエネルギ）を表している。
【００４６】
レーザの照射点に正確に放電を誘導および収束させるためには、ある一定以上のパルスエネルギが必要である。この必要値は、図３にカーブＡ，Ｂで示したように、印加電圧が自己放電の開始電圧に近いほど小さくなる傾向を持つ。したがって、この印加電圧をできるだけ限界値に近い条件とすることで、必要となるレーザ装置を小規模のものに抑えることが可能となる。
【００４７】
図４（Ａ）は陽電極１１を抽出して示す図であり、同図（Ｂ）はその陽電極１１を拡大して示す断面図である。
【００４８】
上述したように、印加電圧が自己放電の開始電圧に近く、限界値に近い条件とすることが、放電パルスエネルギを高く設定できる上で有利となるが、この限界電圧値は電極の形状によって大きく依存する。
【００４９】
そこで、本実施形態では図４（Ｂ）に示したように、陽電極１１の先端形状を、可能な限り大きな半径を持つ球面状とし、さらにレーザビームの通過孔１０の円周部のエッジ１１ａにＲ加工処理を施したものを適用している。
【００５０】
このような構成とすることより、陽電極１１の先端部での電界の集中を緩和して、自己放電開始電圧を増加させることができる。
【００５１】
図５は放電パルス幅についての説明図である。同図（Ａ）はコンデンサ１３部分を示し、同図（Ｂ）は（Ａ）に対応する等価回路を示し、同図（Ｃ）はパルス形状を示している。
【００５２】
コンデンサ１３の電荷が放電するときの電流の時定数τ、即ち、放電電流のパルス幅は、下記の式に示すように、コンデンサ１３の容量Ｃと電流が流れる立体的な経路によって決まる幾何インダクタンスＬとによって定められる。
【００５３】
【数１】

【００５４】
そこで、このコンデンサ容量Ｃを任意に設定した場合は、コンデンサ１３と陽電極１１とを接続する立体回路をできるだけ短く設定して、この幾何インダクタンスを小さく抑えることにより、短いパルス幅τの放電を起こすことが可能となる。
【００５５】
この放電電流のパルス幅τは、ターゲット１２に対する放電エネルギの注入時間に相当するため、これが短いほど、ターゲッ卜１２への入熱は小さくなり、原子間結合が切断されて起こるアブレーション現象に近い加工となり、溶融によるドロスの付着の無い、良好な仕上げ面を形成することが可能となる。
【００５６】
図６は、放電の収束性に対するバッファガスのガス圧力の依存性を説明するための図である。同図（Ａ）は最大印加電圧に対する（圧力×電極間距離）の依存性曲線（パッシェ曲線）を示すグラフで、たて軸に印加電圧（Ｖｓ）を表し、よこ軸にガス圧（ｐ）×電極間距離（ｌ）を表している。同図（Ｂ），（Ｃ）は、圧力によって変化する放電プラズマの相異について示している。
【００５７】
図６（Ａ）において、各曲線（パッシェ曲線）（１）〜（７）はそれぞれ異なるガスの特性を示しており、曲線（１）は空気、（２）は水素ガス（Ｈ₂）、（３）はアルゴンガス（Ａｒ）、（４）はネオンガス（Ｎｅ），（５）〜（７）はＮｅとＡｒとの複合ガスについて示している。
【００５８】
本実施形態では、例えば電極間距離（ｌ）を約１cm、使用ガスをＡｒまたはＮｅとし、圧力（ｐ）を略大気圧（７６０Torr）とし、この圧力で放電を起こさせるように設定する。
【００５９】
即ち、本実施形態では、放電を起こすガス圧力について、図６（Ａ）のパッシェン曲線（３）〜（７）におけるボ卜ム（最小点）の右側の領域（圧力×電極間距離）で使用する。したがって、高いガス圧で使用する方が、前述したように高い印加電圧まで自己放電を起こすことなくレーザのトリガでの放電が可能となる。
【００６０】
また、ガス圧が低い場合（例えば数十Torr）には、図６（Ｂ）に示すように放電プラズマが拡散状態となるが、高い圧力条件（例えば数百Torr）とした場合には、図６（Ｃ）に示すように、局所領域に放電を収束・集中させやすく、本発明の特徴である誘導特性を有効に引き出すことができる。
【００６１】
第２実施形態（図７）
本実施形態では、図７に示すように、コンデンサ１３と、このコンデンサ１３をパルス的に充電するために必要となるパルス回路２５との接続を、低インピーダンスの同軸ケーブル２７とインピーダンス整合用の抵抗２８とを介して行っている。他の構成は第１実施形態と同様である。
【００６２】
このような構成によれば、高圧ＤＣ電源１５およびパルス回路２５から、陽電極１１等の加工ヘッドを離間させて設置することができ、これによって加工へッドを電源側から独立的に自由稼動させること等が可能となる。
【００６３】
したがって、例えば加工対象物が稼動できないようなサイズのものであり、加工ヘッドの方を稼動して加工する必要がある場合、または加工ヘッドを設置する環境（温度、湿度など）が悪く、電源側から隔絶する必要がある場合などに好適なものとすることができる。
【００６４】
第３実施形態（図８）
本実施形態では、レーザ装置１８から出射されたレーザビームを反射ミラー２０を介して、空間を自由伝送して、加工ヘッド部へ導光する前記各実施形態と異なり、図８に示すように、レーザ装置１８から出射されたレーザビームを光ファイバ入射光学系２９から光ファイバ３０を通し、光ファイバ出射光学系３１を終えて、加工ヘッドまで導光する構成としてある。他の構成は第２実施形態と同様である。
【００６５】
このような構成によれば、レーザ装置１８と加工ヘッド部との配置に対する自由度が空間伝送に比べて非常に大きくなり、上記請求項７の説明にも記したように加工ヘッドをレーザ装置１８から隔絶した位置に配置する必要がある場合に好適なものとすることができる。
【００６６】
第４実施形態（図９）
本実施形態では、図９に示すように、第３実施形態に加えて、レーザビーム２３が加工ヘッド部に入射する直前にモニタ装置を設けたものである。
【００６７】
このモニタ装置は、ターゲット表面像（イメージ）を採取するサンプリングミラー３２とイメージ転送光学系３３および拡大光学系３４と、これらを通して画像をとらえるカメラ３５とを備えている。
【００６８】
この画像をモニタすることによって、ターゲット表面の加工ポイントの状態を遠隔配置の操作部等において、加工施工中にオンラインで観察、監視することが可能となる。
【００６９】
第５実施形態（図１０）
本実施形態では、図１０に示すように、加工対象ターゲットの裏側に光センサ３６を設置することによってターゲット１２の加工が進展し、例えば孔加工における孔が貫通したときのタイミングを時間的に検知することが可能となる。
【００７０】
なお、孔が貫通したときには、ターゲット１２の表面からのアブレーション原子の密度が激変するこれによって放電電流波形に大きな変化が見られる。そこで、本実施形態では、図１０に示すように、電流プローブ３７を配線部に設け、電流値を観察するようにしてもよい。
【００７１】
このような構成によっても、センサ利用の場合と同様に、貫通施工の終了タイミングを検知することが可能となる。
【００７２】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、ターゲットの加工ポイントにレーザを入射しない状態では放電が開始しない範囲で高い正の電圧をパルス状にして印加し、さらに放電が生ずる領域に大気圧またはそれ以上の圧力のガス圧をかけ、正電圧を印加するために、低インピーダンスの同軸ケーブルをパルス伝送ラインとして用い、これにより電源側と加工ヘッド側とを隔離させ、この状態でターゲットの表面にパルスレーザを入射することによって原子を放出させると同時にレーザプラズマを生じさせ、このレーザプラズマ中に存在する電子をトリガとして陽，陰極間で放電を起させ、その放電エネルギをターゲットの表面のレーザプラズマに集束させて加工ポイントに誘導し、さらに放電が生ずる領域に大気圧またはそれ以上の圧力のガス圧をかけ、正電圧を印加するために、低インピーダンスの同軸ケーブルをパルス伝送ラインとして用い、これにより電源側と加工ヘッド側とを隔離させることにより、レーザを収束させた加工対象材料の表面の微小領域に放電エネルギを集めて加工を行う方法を適用し、さらに自由度の高い光、電気エネルギの伝送方式を取り入れ、各種のモニタ機構を組み込むことによって、高い精度と、なめらかな仕上げ面を持った加工を、高い効率で容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すもので、レーザ・放電複合加工装置の基本構成を示す図。
【図２】同実施形態の具体的構成を示す図。
【図３】同実施形態における作用説明図で、放電誘導効果に対する入射レーザ強度の依存性についての説明図。
【図４】同実施形態における作用説明図で、（Ａ）は陽電極の抽出図、（Ｂ）は陽電極の形状を拡大して示す図。
【図５】同実施形態における作用説明図で、（Ａ），（Ｂ）は回路図、（Ｃ）は放電パルス幅についての説明図。
【図６】同実施形態における作用説明図で、（Ａ）は放電の収束性に対する圧力依存性を示すパッシェ曲線図、（Ｂ），（Ｃ）は放電プラズマ状態についての説明図。
【図７】本発明の第２実施形態を示す構成図。
【図８】本発明の第３実施形態を示す構成図。
【図９】本発明の第４実施形態を示す構成図。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す構成図。
【図１１】従来例を示す説明図。
【符号の説明】
１０レーザビーム通過孔
１１陽電極
１１ａエッジ
１２ターゲット
１３コンデンサ
１４抵抗
１５高圧ＤＣ電源
１８レーザ装置
１９レーザ駆動用電源
２０反射ミラー
２１収束用のレンズ
２２レンズ保護用ウィンドウ
２３パルスレーザビーム
２４絶縁フランジ
２５パルス回路
２６タイミング調整器
２７同軸ケーブル
２８抵抗
２９光ファイバ入射光学系
３０光ファイバ
３１光ファイバ出射光学系
３２サンプリングミラー
３３イメージ転送光学系
３４拡大光学系
３５カメラ
３６光センサ
３７電流プローブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser / discharge combined machining method and apparatus for performing machining by combining a laser having high energy convergence and an electric discharge having high energy conversion efficiency.
[0002]
[Prior art]
In recent years, micromachine parts that require micrometer-order accuracy, processing technologies (drilling, cutting, welding) associated with semiconductor manufacturing, and difficult processing of glass, ceramics, silicon, superalloys, etc., which are difficult with normal machining Processing technology for materials has been developed.
[0003]
As a processing technology for such micro-machining or difficult-to-process materials, electric discharge is generated from an electrode toward the base material to be processed and processing is performed using the energy, or a high-power laser is used as a base. Laser processing that converges on the surface of the material for processing is mainly used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An example of micromachining using electric discharge machining will be described with reference to FIG.
[0005]
In the example of FIG. 11, a target 2 as a cathode is installed in the processing tank 1, and a processing electrode 3 as an anode is movably provided facing the target 2. A DC machining power source 4 is connected between the target 2 and the machining electrode 3 via a resistor 5 and a capacitor, and electric discharge machining is performed by applying a positive voltage.
[0006]
The machining electrode 3 is driven by an elevating device 7 and a rotating device 8, and the drive and the DC machining power source 4 are controlled by a control device 9. Therefore, it is necessary to apply the electrode 30 having a very small tip size corresponding to this.
[0007]
Further, such a thin electrode is easily worn out, and the distance between the target 2 and the electrode 3 is corrected (enlarged) as the machining progresses. Needed a mechanism to do.
[0008]
Furthermore, depending on how the electrode 3 is worn, the state of discharge becomes unstable, which is a factor that greatly affects the processing result.
[0009]
For micromachining using such electric discharge machining and drilling of an inkjet printer head using this electric discharge machining, for example, (1) “Micro electric discharge machining” explanatory paper (BME Vol. 9, No. 8, p28) 32, 1995) or (2) “Micro Machining in Information Processing Equipment Parts” commentary (Joytic Vol. 5, No. 6, p42-47, 1989).
[0010]
On the other hand, laser processing is introduced as a comparative example in the known document (2).
[0011]
This laser machining has no factors that require extremely high precision control, such as the distance between electrodes in electric discharge machining, and does not include components that easily wear out, such as electrodes.
[0012]
However, since light is used as a processing means, it is affected by diffusion and refraction due to the density of the base material particles generated near the processing point, or the air or solution existing between them, and this greatly affects the processing state. There is a problem.
[0013]
Further, the laser device has a low energy conversion efficiency from electric energy for driving to a laser (light), and in a general processing solid laser device such as a YAG laser, the conversion efficiency is 1% or less. The fact that the processing efficiency is very bad has also been one of the factors that limit its use.
[0014]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is therefore an object of the present invention to provide a laser / discharge combined machining method and apparatus that can easily perform machining with high accuracy and a smooth finished surface with high efficiency. And
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the difficulty of control, which is a disadvantage of electric discharge machining, and the short life of components, whereas the laser beam is disturbed by the machining atmosphere, which is a disadvantage of laser machining, and the conversion efficiency from electricity to light is low, In order to make up for these shortcomings, combined machining that combines two means of discharge and laser is adopted.
[0016]
That is, when a laser plasma is generated at a local point where the laser is focused and incident on the surface of the target to be processed, an electrode to which a positive voltage higher than a certain level is applied to the base material by a certain distance. In the system installed separately, the electrons emitted from the laser plasma generated on the cathode surface act as a trigger, and a discharge is generated between the anode and the cathode (target). Since this discharge is generated from an extremely small spot on which the laser of the cathode (target) is converged and incident, it is possible to concentrate the energy of the discharge in this spot region. As a result, it is possible to induce and converge high discharge energy to a target point on the surface of the target material, triggered by the incidence of a laser with low energy but high convergence, thereby enabling processing. .
[0017]
That is, in the present invention, a target to be processed is placed on the cathode side, and a high positive voltage is set within a range in which discharge does not start in a state where a laser is not incident on the target processing point on the anode separated from the target by a certain distance. was applied in a pulsed manner, causing at the same time laser plasma when to release atoms by incident pulsed laser on the surface of the target in this state, the positive, negative electrons present in the laser plasma as a trigger A laser / discharge combined machining method in which a discharge is generated between the two, the discharge energy is focused on a laser plasma on the surface of the target and guided to a machining point, and the target is machined by the energy. Apply a gas pressure of atmospheric pressure or above to apply a positive voltage Using a coaxial cable-impedance as the pulse transmission line, thereby providing a laser discharge combined machining method characterized in that to isolate the power supply side and the processing head side.
[0027]
In the present invention, a laser beam passage hole is formed at the tip, the tip is spherical, and the edge of the laser passage hole is subjected to R processing, and the target to be processed is opposed to the anode. A cathode to be installed, a capacitor and an inductance provided between these positive and negative electrodes, a DC high voltage power source for charging the capacitor, a pulse circuit for charging the capacitor in a pulsed manner, and a laser beam passage hole of the anode. A low-impedance means as a means for performing pulse charging on the capacitor, and a laser device for injecting a pulse laser to the surface of the target via a gas supply system for supplying a buffer gas between the target and the anode A pulse transmission line using a coaxial cable, and the coaxial cable input connected in series to the pulse transmission line. Providing a laser discharge combined machining apparatus characterized by comprising a resistor and that-impedance matching.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a laser / discharge combined machining method and apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0035]
1st Embodiment (FIGS. 1-6)
FIG. 1 shows the configuration of a laser discharge composite machining apparatus as a basic embodiment of the present invention.
[0036]
In the present embodiment, an anode (hereinafter referred to as a positive electrode) 11 having a laser beam passage hole 10 at the tip and a target 12 to be processed are arranged opposite to each other. A positive voltage is applied between the positive electrode 11 and the target 12 from a high-voltage DC power supply 15 via a capacitor 13 and a resistor 14.
[0037]
The target 12 and the positive electrode 11 are installed in a sealed container 16 closed with an insulating flange 24. Then, a rare gas such as Ne or Ar is introduced from the gas supply system 7 into the positive electrode 11 as a discharge buffer gas, and this buffer gas passes through the laser beam passage hole 10 at the tip of the positive electrode 11 and passes through the target 12. It is structured to be sprayed on the surface.
[0038]
For the laser device 18 serving as a laser beam emission source, a pulse laser capable of taking out pulse light having a particularly high peak output among solid lasers such as a YAG laser or a gas laser is applied.
[0039]
The laser beam 23 oscillated by the power from the laser driving power source 19 sets the irradiation direction by the reflecting mirror 20 and converges on the surface of the target 12 through the converging lens 21 and the lens protection window 22. It is like that.
[0040]
Under such a configuration, when a pulse laser beam 23 having a pulse energy of a certain level or more is irradiated onto the target surface, a target atom is emitted by abrasion and simultaneously becomes a plasma phenomenon, that is, generation of laser plasma. Happens.
[0041]
The high density electrons existing in the laser plasma serve as a trigger for the discharge, and the electric charge stored in the capacitor 13 causes a discharge between the positive electrode 11 and the target 12. At this time, since the discharge energy converges on the laser plasma on the surface of the target 12 and is injected intensively, the target surface at the laser plasma generation point can be selectively processed.
[0042]
Next, a specific configuration example will be described with reference to FIG.
[0043]
In the laser / discharge combined machining apparatus of FIG. 1 described above, a voltage is steadily applied between the positive electrode 11 and the target 12 until a laser beam is incident, but in FIG. And the drive trigger signal for the pulse circuit 25 can be arbitrarily adjusted by the timing adjuster 26. As a result, the voltage application time width can be set to about the width of the voltage pulse generated by the pulse circuit 25.
[0044]
According to such a configuration, by setting the voltage application time width to 1 μsec or less, the limit voltage value at which self-discharge starts can be increased from 1.5 times to about 2 times. And even if it uses the capacitor | condenser of the same capacity | capacitance, it becomes possible to enlarge the discharge energy which can be discharge | released per pulse and to increase a processing speed.
[0045]
FIG. 3 is a graph showing the dependence of the incident laser intensity on the discharge inducing effect. The vertical axis represents the discharge current, and the horizontal axis represents the incident laser intensity (pulse energy).
[0046]
In order to induce and converge the discharge accurately at the laser irradiation point, pulse energy of a certain level or more is required. As shown by curves A and B in FIG. 3, the necessary value tends to decrease as the applied voltage approaches the self-discharge start voltage. Therefore, by setting the applied voltage as close as possible to the limit value, it is possible to reduce the necessary laser device to a small scale.
[0047]
FIG. 4A is a diagram showing the positive electrode 11 extracted, and FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view showing the positive electrode 11.
[0048]
As described above, it is advantageous that the applied voltage is close to the start voltage of the self-discharge and close to the limit value in order to be able to set the discharge pulse energy high. However, the limit voltage value depends on the shape of the electrode. Dependent.
[0049]
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 4B, the tip shape of the positive electrode 11 is a spherical shape having a radius as large as possible, and the edge 11a of the circumferential portion of the laser beam passage hole 10 is formed. Is applied with R processing.
[0050]
With such a configuration, the concentration of the electric field at the tip of the positive electrode 11 can be relaxed, and the self-discharge starting voltage can be increased.
[0051]
FIG. 5 is an explanatory diagram of the discharge pulse width. 4A shows the capacitor 13 portion, FIG. 2B shows an equivalent circuit corresponding to FIG. 1A, and FIG. 2C shows a pulse shape.
[0052]
The time constant τ of the current when the charge of the capacitor 13 is discharged, that is, the pulse width of the discharge current, as shown in the following equation, is a geometric inductance L determined by the capacitance C of the capacitor 13 and the three-dimensional path through which the current flows. It is determined by.
[0053]
[Expression 1]

[0054]
Therefore, when the capacitor capacitance C is arbitrarily set, the solid circuit connecting the capacitor 13 and the positive electrode 11 is set as short as possible, and this geometric inductance is kept small, thereby causing a discharge with a short pulse width τ. It becomes possible.
[0055]
Since the pulse width τ of the discharge current corresponds to the discharge energy injection time to the target 12, the shorter this is, the smaller the heat input to the target 12 and the closer to the ablation phenomenon that occurs when the interatomic bond is broken. Thus, it is possible to form a good finished surface without adhesion of dross due to melting.
[0056]
FIG. 6 is a diagram for explaining the dependence of the gas pressure of the buffer gas on the convergence of the discharge. FIG. 4A is a graph showing a dependency curve (Pasche curve) of (pressure × distance between electrodes) with respect to the maximum applied voltage. The vertical axis represents the applied voltage (Vs), and the horizontal axis represents the gas pressure (p). X represents the interelectrode distance (l). FIGS. 5B and 5C show the difference in the discharge plasma that changes depending on the pressure.
[0057]
In FIG. 6A, each curve (Pasche curve) (1) to (7) shows the characteristics of different gases, the curve (1) is air, (2) is hydrogen gas (H ₂ ), ( 3) shows an argon gas (Ar), (4) shows a neon gas (Ne), and (5) to (7) show a composite gas of Ne and Ar.
[0058]
In this embodiment, for example, the distance (l) between the electrodes is about 1 cm, the gas used is Ar or Ne, the pressure (p) is set to approximately atmospheric pressure (760 Torr), and the discharge is set at this pressure.
[0059]
That is, in this embodiment, the gas pressure causing the discharge, package Shen curve (3) in FIG. 6 (A) ~ right area (pressure × distance between electrodes) of Bo in (7) Bokumu (minimum point) Used in. Therefore, when the gas is used at a high gas pressure, the laser trigger discharge can be performed without causing self-discharge up to a high applied voltage as described above.
[0060]
In addition, when the gas pressure is low (for example, several tens of Torr), the discharge plasma is in a diffusion state as shown in FIG. 6B. As shown in FIG. 6C, the discharge can be easily converged and concentrated in the local region, and the inductive characteristic that is a feature of the present invention can be effectively extracted.
[0061]
Second Embodiment (FIG. 7)
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the connection between the capacitor 13 and the pulse circuit 25 required for charging the capacitor 13 in a pulsed manner is made by connecting a low impedance coaxial cable 27 and an impedance matching resistor. 28. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0062]
According to such a configuration, the machining head such as the positive electrode 11 can be set apart from the high-voltage DC power supply 15 and the pulse circuit 25, and thus the machining head can be freely operated independently from the power supply side. It is possible to make it.
[0063]
Therefore, for example, if the workpiece is of a size that cannot be operated, it is necessary to operate the machining head and machining, or the environment (temperature, humidity, etc.) where the machining head is installed is poor, and the power supply side It can be suitable when it is necessary to be isolated from.
[0064]
Third embodiment (FIG. 8)
In the present embodiment, unlike each of the above embodiments in which the laser beam emitted from the laser device 18 is freely transmitted through the space via the reflection mirror 20 and guided to the processing head unit, as shown in FIG. The laser beam emitted from the laser device 18 is guided from the optical fiber incident optical system 29 through the optical fiber 30 to the optical fiber emitting optical system 31 and guided to the processing head. Other configurations are the same as those of the second embodiment.
[0065]
According to such a configuration, the degree of freedom with respect to the arrangement of the laser device 18 and the processing head portion is very large as compared with the spatial transmission, and the processing head is arranged in the laser device 18 as described in the description of claim 7. It can be suitable when it is necessary to dispose at a position isolated from.
[0066]
Fourth Embodiment (FIG. 9)
In this embodiment, as shown in FIG. 9, in addition to the third embodiment, a monitor device is provided immediately before the laser beam 23 enters the machining head portion.
[0067]
This monitor device includes a sampling mirror 32 that collects a target surface image (image), an image transfer optical system 33 and an enlargement optical system 34, and a camera 35 that captures an image through them.
[0068]
By monitoring this image, the state of the processing point on the target surface can be observed and monitored on-line during the processing using a remotely arranged operation unit or the like.
[0069]
Fifth embodiment (FIG. 10)
In this embodiment, as shown in FIG. 10, the processing of the target 12 progresses by installing the optical sensor 36 on the back side of the target to be processed. For example, the timing when the hole in the hole processing penetrates is detected temporally. It becomes possible to do.
[0070]
Note that when the hole penetrates, the density of the ablation atoms from the surface of the target 12 changes drastically, and a large change is seen in the discharge current waveform. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 10, a current probe 37 may be provided in the wiring portion and the current value may be observed.
[0071]
Even with such a configuration, it is possible to detect the end timing of the through construction as in the case of using the sensor.
[0072]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention , a high positive voltage is applied in the form of a pulse in a range where discharge does not start when the laser is not incident on the processing point of the target, and is further increased in a region where discharge occurs. In order to apply a gas pressure of atmospheric pressure or higher and apply a positive voltage, a low impedance coaxial cable is used as a pulse transmission line, which isolates the power supply side from the machining head side, and in this state the target At the same time, a laser beam is emitted by irradiating a pulse laser on the surface, and at the same time, a laser plasma is generated. A discharge is generated between the positive and negative electrodes using electrons existing in the laser plasma as a trigger. and is focused on laser plasma induced in the machining point, atmospheric pressure or more pressure gas to a further discharge occurs region Applying a pressure, in order to apply a positive voltage, with a coaxial cable of low impedance as pulse transmission line, thereby by isolating the power supply side and the processing head side, of the surface of the processing target material obtained by converging the laser By applying a method of collecting discharge energy in a minute area and processing it, incorporating a highly flexible light and electric energy transmission method and incorporating various monitoring mechanisms, it has high accuracy and a smooth finished surface. Can be easily performed with high efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a laser / discharge combined machining apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the embodiment.
FIG. 3 is an operation explanatory diagram in the embodiment, and is an explanatory diagram about the dependence of incident laser intensity on the discharge induction effect;
4A and 4B are operation explanatory views in the embodiment, in which FIG. 4A is an extraction diagram of a positive electrode, and FIG. 4B is an enlarged view of the shape of the positive electrode.
FIGS. 5A and 5B are operation explanatory views of the embodiment, in which FIGS. 5A and 5B are circuit diagrams, and FIG. 5C is an explanatory view of a discharge pulse width; FIGS.
6A and 6B are operation explanatory views in the same embodiment, in which FIG. 6A is a Pasche curve diagram showing pressure dependence on discharge convergence, and FIGS. 6B and 6C are explanatory views of a discharge plasma state;
FIG. 7 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser beam passage hole 11 Positive electrode 11a Edge 12 Target 13 Capacitor 14 Resistance 15 High voltage DC power supply 18 Laser apparatus 19 Laser drive power supply 20 Reflection mirror 21 Converging lens 22 Lens protection window 23 Pulse laser beam 24 Insulating flange 25 Pulse Circuit 26 Timing adjuster 27 Coaxial cable 28 Resistance 29 Optical fiber entrance optical system 30 Optical fiber 31 Optical fiber exit optical system 32 Sampling mirror 33 Image transfer optical system 34 Enlarging optical system 35 Camera 36 Optical sensor 37 Current probe

Claims

A target to be processed is placed on the cathode side, and a high positive voltage is applied in a pulsed manner to the anode separated from the target by a certain distance within a range in which discharge does not start when no laser is incident on the target processing point. In this state, a pulse laser is incident on the surface of the target to emit atoms, and at the same time, a laser plasma is generated and a discharge is caused between the positive and negative electrodes using electrons existing in the laser plasma as a trigger. A laser / discharge combined machining method in which the discharge energy is focused on a laser plasma on the surface of the target and guided to a machining point, and the target is machined by the energy, and an atmospheric pressure or higher is generated in a region where discharge occurs. In order to apply a positive gas pressure, a low impedance coaxial cable is applied. Laser discharge combined machining method characterized by using a table as a pulse transmission line, thereby to isolate the power supply side and the processing head side.

2. The laser / discharge combined machining method according to claim 1, wherein the potential gradient at the tip of the anode is made uniform.

3. The laser / discharge combined machining method according to claim 1, wherein the current time width of the discharge generated between both electrodes is shortened.

4. The laser / discharge combined machining method according to claim 1, wherein the discharge plasma reaching the machining target surface is easily converged by a gas pressure of atmospheric pressure or higher applied to a region where discharge occurs. A laser / discharge combined machining method characterized by the above-mentioned conditions.

In laser discharge combined machining method according to any one of claims 1 to 4, the laser-discharging combined machining method characterized in that for transmission from the laser oscillation unit to the laser beam converging unit by an optical fiber.

In laser discharge combined machining method according to any one of claims 1 to 5, the laser discharge combined machining method characterized by monitoring the machining state by monitoring the laser beam on the back side of the target.

The laser / discharge combined machining method according to any one of claims 1 to 6 , wherein a machining portion of the target is detected by detecting a change in a discharge current waveform or by detecting a transmitted laser beam from a back surface of the target. A laser / discharge combined machining method characterized by determining the presence or absence of penetration in a laser beam.

An anode having a laser beam passage hole at the tip, a spherical shape at the tip, and an R processing at the edge of the laser passage hole; a cathode on which a target to be processed is placed opposite to the anode; and Capacitor and inductance provided between the positive and negative electrodes, a DC high voltage power source for charging the capacitor, a pulse circuit for charging the capacitor in a pulsed manner, and the surface of the target through the laser beam passage hole of the anode A low-impedance coaxial cable is used as a means for performing pulse charging on the capacitor , and a laser device for injecting a pulse laser into the gas source and a gas supply system for supplying a buffer gas between the target and the anode . A pulse transmission line is connected in series to the pulse transmission line, and the coaxial cable impedance is matched. Laser discharge combined machining apparatus characterized by comprising an anti-city.

9. The laser / discharge combined machining apparatus according to claim 8, wherein the laser apparatus has a lens for converging the laser beam, and includes an optical fiber as a transmission means to the lens. apparatus.

10. The laser / discharge combined machining apparatus according to claim 8, further comprising a mechanism for monitoring laser light penetrating the back surface of the machining target.

11. The laser / discharge combined machining apparatus according to claim 8, wherein a change in a discharge current waveform is detected or transmitted laser light from a back surface of the target is detected to determine whether or not there is penetration in the machining portion of the target. A laser / discharge combined machining apparatus comprising a mechanism for determining whether or not.